超音波分散と解凝集

固体を液体中に分散させ、解凝集することは、高出力超音波およびプローブ型超音波処理装置の重要な用途です。超音波キャビテーションは極めて高いせん断を発生させ、粒子の凝集体を個々の分散粒子に分解します。局所的に集中する高いせん断力により、超音波処理は、実験、研究開発、そしてもちろん工業生産に向けたマイクロメートルサイズおよびナノサイズの分散液の製造に最適です。

粉末を液体に混合することは、塗料、インク、化粧品、飲料、ハイドロゲル、研磨媒体など、さまざまな製品の配合における一般的な工程です。個々の粒子は、ファンデルワールス力や液体の表面張力など、さまざまな物理的・化学的性質を持つ引力によって結び付いています。この効果は、ポリマーや樹脂など、粘度の高い液体ほど強くなります。粒子を解凝集し、液体媒体中に分散させるには、こうした引力に打ち勝つ必要があります。実験室および産業用途でサブマイクロメートルサイズやナノサイズの粒子を分散させる際に、超音波ホモジナイザーが優れた分散装置である理由を以下でご覧ください。

液体中への固体の超音波分散

超音波ホモジナイザーの動作原理は、音響キャビテーションという現象に基づいています。音響キャビテーションは、非常に強いせん断力を含む強烈な物理的な力を発生させることが知られています。機械的応力を加えることで、粒子の凝集体が分解されます。また、粒子間に液体が押し込まれます。
粉末を液体中に分散させるための技術として、高圧ホモジナイザー、撹拌式ビーズミル、衝突式ジェットミル、ローター・ステーターミキサーなど、さまざまな技術が市販されています。しかし、超音波分散装置には大きな利点があります。超音波分散の仕組みとその利点を以下でご覧ください。

超音波キャビテーションと分散の動作原理

超音波処理中、高周波の音波によって液体媒体中に圧縮領域と希薄化領域が交互に生じます。音波が媒体を通過すると、急速に膨張した後に激しく崩壊する気泡が発生します。この過程を音響キャビテーションと呼びます。気泡の崩壊によって、高圧の衝撃波、マイクロジェット、せん断力が発生し、大きな粒子や凝集体をより小さな粒子に分解できます。超音波分散プロセスでは、分散液中の粒子自体が粉砕媒体として機能します。超音波キャビテーションのせん断力によって加速された粒子は、互いに衝突して微小な断片に砕けます。超音波処理される分散液にはビーズや球状媒体を添加しないため、時間と労力を要する粉砕媒体の分離や洗浄、さらには汚染も完全に回避されます。
このため、超音波処理は、他の方法では分解が難しい粒子も含め、粒子の分散と解凝集に極めて効果的です。その結果、粒子の分布がより均一になり、製品の品質と性能が向上します。
さらに、超音波処理では、ナノ球、ナノ結晶、ナノシート、ナノファイバー、ナノワイヤー、コアシェル粒子、その他の複雑な構造を持つナノ材料を容易に取り扱い、分散・合成できます。
また、超音波処理は比較的短時間で実施でき、これは他の分散技術に対する大きな利点です。

他の混合技術に対する超音波分散装置の利点

超音波分散装置は、高圧ホモジナイザー、ビーズ粉砕、ローター・ステーター混合など、他の混合技術に対していくつかの利点を備えています。特に顕著な利点として、以下が挙げられます。

• 粒径低減能力の向上： 超音波分散装置は、多くの他の混合技術では不可能な、ナノメートル領域への粒径低減を効果的に実現できます。このため、微細な粒径が重要となる用途に最適です。
• 混合の高速化： 超音波分散装置は、多くの他の技術よりも速く材料を混合・分散できるため、時間を節約し、生産性を向上させます。
• 汚染なし： 超音波分散装置は、摩耗によって分散液を汚染するビーズや球状媒体などの粉砕媒体を使用する必要がありません。
• 製品品質の向上： 超音波分散装置は、より均一な混合物や懸濁液を製造でき、製品の品質と均一性が向上します。特にフロースルーモードでは、分散スラリーが高度に制御された状態で超音波キャビテーション領域を通過するため、非常に均一な処理が確保されます。
• エネルギー消費の低減： 超音波分散装置は、通常、他の技術よりも必要なエネルギーが少ないため、運転コストを削減できます。
• 汎用性： 超音波分散装置は、均質化、乳化、分散、解凝集など、幅広い用途に使用できます。また、摩耗性材料、繊維、腐食性液体、さらには気体まで、さまざまな材料を取り扱えます。

こうしたプロセス上の利点に加え、信頼性と操作の簡便さにより、超音波分散装置は他の混合技術を上回り、多くの産業用途で広く選ばれています。

水中でのヒュームドシリカの超音波分散：超音波処理前の凝集したシリカの粒径は、200マイクロメートル（D50）を超えています。ヒュームドシリカの超音波分散後には、大部分の粒子が200ナノメートル未満まで小さくなりました。

あらゆる規模での超音波分散と解凝集

Hielscherは、バッチ処理またはインライン処理で、あらゆる容量の分散と解凝集に対応する超音波装置を提供しています。実験室用超音波装置は、1.5mL–約2Lの容量に使用されます。産業用超音波装置は、0.5–約2000Lのバッチ、または毎時0.1L–20m³の流量で、プロセス開発および生産に使用されます。

Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を実現し、粒子をナノスケールまで確実に分散・粉砕できます。最大200µmの振幅で、24時間・週7日の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するため、特注の超音波ソノトロードも用意されています。

超音波分散の利点：容易なスケールアップ

他の分散技術と異なり、超音波処理は実験室規模から生産規模へ容易にスケールアップできます。実験室での試験により、必要な装置の規模を正確に選定できます。最終的な規模で使用した場合、プロセスの結果は実験室での結果と同一です。

超音波処理装置：堅牢で洗浄が容易

超音波出力は、ソノトロードを介して液体に伝達されます。ソノトロードは、通常、航空機用グレードのチタンの無垢材から機械加工された回転対称の部品です。また、接液部のうち、動く／振動する唯一の部品でもあります。摩耗するのはこの部品だけであり、数分以内に容易に交換できます。振動を分離するフランジにより、開放容器、加圧可能な密閉容器、またはフローセルに、任意の向きでソノトロードを取り付けられます。軸受は不要です。他の接液部は、一般にすべてステンレス鋼製です。フローセル反応器は単純な形状を持ち、容易に分解して、例えばフラッシングや拭き取りによって洗浄できます。小さな開口部や隠れた隅はありません。

超音波による定置洗浄

超音波は、表面洗浄や部品洗浄などの洗浄用途でよく知られています。分散用途に使用される超音波強度は、一般的な超音波洗浄よりもはるかに高いものです。超音波装置の接液部を洗浄する際には、超音波／音響キャビテーションがソノトロードおよびフローセルの壁面から粒子や液体の残留物を除去するため、フラッシングやすすぎの際に超音波出力を利用して洗浄を補助できます。

文献 / 参考文献

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